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u m t s 系统中的移动i p 技术研究 【摘要】 u m t s 系统是第三代移动通信系统( 3 g ) 的代表之一，它将分组交换引入 无线通信系统，为用户提供多种数据服务。对于分组域的移动管理，u m t s 的核 心网采用了g p r s 技术。由于3 g 的发展方向是全i p 网络架构：因此，采用移 动i p 技术实现分组移动性管理将是u m t s 系统的发展趋势。 本论文从u m t s 系统的分组传输技术和原理入手，剖析了u m t s 分组域的 分组移动性工作原理，并介绍了移动i p 协议，对两者进行了比较。在此基础上， 对u m t s 系统引入移动i p 的系统模型进行了研究，并介绍了u m t s 核心网络向 移动l p 的可能的演化过程。文章的最后介绍了移动i p v 6 ，并分析了其对u m t s 系统将产生的影响。 u m t s ，移动i p ，移动管理 【关键字】 a b s t r a c t i u m t si soneo ft h e3 ”m o b i l ec o m u n i c a t i o ns y s t e m s i nw h i c h p a c k e te w i t c h 4 a si n t r o d u c e dt op r o v i d ev a r i e t vo fd a t a s e r v i c e sf o rs u b s c r i b e r s i nt h ec o r en e t w o r k so fu m t s g p r s i se m p l o y e dt oi m p l e m e n tm o b i l i t ym a n a g e m e n tf o r p a c k e td o m i a n a sf o ra 1 1i pa r c h e t e c t u r ew i l lb et h ef u t u r eo f3 gn e t w o r k s ， m o b i l eipw i l l b et h eb e s t t e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tp a c k e t m o b i l t ym a n a g e m e n t t h i sp a p e rb e g i n sw i t ha ni n t r o d u c t i o no fp a c k e tt r a n s f e r t e c h n o l o g yo fu m t s ，m a k i n gad e e p a n a l y s i sf o rp a c k e tm o b i l i t y m s n a g e m e n to fu m t sm e a n w h i l e ，a n dt h e nq i v e sani n t r o d u c t l o n o fm o b i l ei p b a s e do nt h ec o m p a r i s i o nb e t w e e nm o b i l eipa f 】d g p r s ，af u n c t i o n a iu m t sm o d e lw i t ham o b i l ei pcoren e t w o r k i n s i d ew a si n t r o d u c e d ，t o g e t h e rw i t hap r o b a b l ee v 0 1 u t i o n p r o c e s s a t1 a s tt h ee f f e c to fm o b i l ei p v 6t ou m t swas d e m o n s t r e t e d k e y w o r d s u m t s ，m o b i l ei p ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t 3 北京邮电大学硕士学位论义 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 习i j 舌 随着移动通信技术的不断发展，国际上的一些著名电信设备商和科研机f f ；j 联 合提出了第三代移动通信技术( 简称3 g ) ，其最显著特点就是高速的无线接入能 力和支持分组数据传输。它能为用户提供丰富的语音、多媒体及其他的数据业务 因此被视为传统移动通信系统的换代技术。 u m t s 是通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的 简称。它是i t u 的i m t - 2 0 0 0 第三代移动通信系统( 3 g ) 的重要组成部分。早在 1 9 9 1 年，e t s i 就开始了这方面的技术研究，1 9 9 8 年初它为u m t s 选择了一种 无线接口u t r a ，这种无线接口主要采用了w c d m a 的无线接入技术。 w c d m a 是一个比较复杂的协议体系，而无线通信、分组传输技术又在不 断的发展，更新的无线传输技术和业务功能被不断地添加到这个协议体系中。所 以为了保证w c d m a 的及时商业化，3 g p p 并行的推出了r e l e a s e 9 9 ，r e l e a s e4 ， r e l e a s e5 和r e l e a s e 6 几个版本其中r e l e a s e9 9 在2 0 0 0 年3 月得到通过，并经过 几次讨论修正。现一致公认2 0 0 1 年3 月的r e l e a s e 9 9 版本是最成熟的可以商业化 的版本。 u m t s 的r e l e a s e 9 9 中，核心网分组域采用g p r s 支持节点s g s n 和g g s n ， 并利用了g t p 隧道协议，一很好的解决了在g p r s 广域网内的分组传输和分组漫 游。但是未来通信网络技术的分组漫游将不仅仅局限于g p r s 网内，而更可能在 异质网络之间( 例如和w l a n 网络之间) 的互相漫游，这时候g p r s 技术将不 能保证这种发展。同时，u m t s 的发展方向将是全i p 网络架构，信令和数据将 通过i p 网络进行传输，所以采用g p r s 并不是未来最好的传输和移动管理解决 方案。 对于基于口的主机漫游技术，m t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 1 9 9 6 年 提出了一种解决方案：移动i p 。这个方案通过在当前的t c p i p 协议中引进三个 新的实体：移动节点、家乡代理和外地代理，并对现有的i p 协议进行扩展，从 而实现主机在不同子网透明漫游，并且保持其通信连接不中断。更为重要的是它 的漫游是纯粹的基于i p 的漫游，而与底层链路无关，这样用移动i p 技术可以实 现异质网络之间的漫游。 2 0 0 0 年1 2 月，我有幸参加了实验室w c d m a u e 模拟器设计项目，得以幸r 机会对u m t s 系统结构进行深入了解。在对3 g p p 协议进行研究的过程中，我 对于u m t s 系统中分组业务采用i p 来承载，但是移动管理和会话管理却采用 g p r s 发生了好奇。于是便开始了对移动i p 原理及u m t s 分组传输的学习和研 究。经过对i p 技术和移动i p 技术发展的跟踪实践，以及对3 g p p 规范的研究， 最终完成此文。 本文一共分为5 个部分。第一部分对u m t s 系统及其支持的服务进行了大 致介绍，第二部分介绍了- u n i t s 系统的移动管理和分组数据路由技术，第三部 分引进了移动i p 功能模型，并进行了分析，第四部分分析了w c d m a 的演化， 并指出u m t s 中的移动i p 也将会演化到移动i p v 6 ，最后一个部分是结束语，对 本课题所做的工作进行了总结。 4北京邮i u 人学顺i j 学位沦史 u m t s 系统中的移动i p 技术哪f 究 第一章u m t s 系统概述 1 1u m t s 系统的特点 u m t s 蜂窝通信技术是从g s m 演化而来的一种新的无线数据通信技术，它 是以蜂窝移动通信为组网方式在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移 动用户提供高速无线数据接入服务。欧洲电信标准协会( e t s i ) 负责u m t s 的 标准化工作，并与国际电联负责的第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 标准化工作胁 调一致。u m t s 的支持者主要是以g s m 系统为主的欧洲厂商，r 本公司也或多 或少地参与其中，包括爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的 n t t 、富士通、夏普等。这套系统能够基于现有的g s m 网络，较轻易地过渡到 3 g ，预计在g s m 系统相当普及的亚洲各国会普遍接受这种新技术，因此u m i s 具有先天的市场优势。 一 作为第三代移动通信系统，u m t s 具有以下特点： 1 ) 和第二代移动通信系统良好的兼容性，容易升级维护。 u m t s 系统由g s m 升级演进而来，对于g s m 网络结构不需要做太大的变 动，只需要添加支持g p r s 的s g s n 和c k j s n 功能节点，并软件升级b s c 即可。 同时u m t s 系统设计时，考虑了和其他通信网络的互联互通，可以自由的 接入到g s m ，p s t n ，i n t e m e t 以及其他p l m n 系统，并且尽可能把固网中的综 合宽带业务引入到移动环境中来。 2 ) 高速的接入能力 w c d m a 的载波带宽为5 m h z ，其空中接口的码片速率是3 8 4 m b p s 。这种 高速码片速率为u m t s 系统承载多种语音多媒体及数据业务提供了保证。 3 ) 引入分组传输技术 以前的移动通信系统只支持电路交换，而不支持分组交换。因此对于无线信 道资源的利用率较低，同时通信费用难以降低。u m t s 系统同时支持电路交换和 分组交换，在分组域采用了基于m v 4 的分组传输协议，并在无线接口中考虑了 对不同q o s 数据业务的支持，支持实时和非实时的分组数据业务。 4 ) 高频谱效率 w c d m a 能够高效利用可用的无线电频谱。由于它采用单小区复用，因此不 需要频率规划。利用分层小区结构、自适应天线阵列和相干解调( 双向) 等技术， 网络容量可以得到大幅提高。重要的是，由于每个小区层所需要的一切就是 2 + 5 m h z ，因此一个分层式网络可在2 + 1 5 m h z 频段内部署。 5 ) 业务灵活性 w c d m a 允许每个5 m h z 载波处理从8 k b p s 到2 m b p s 的混合业务。另外存 同一信道上即可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务，利用在单一终端上 进行多个电路和分组交换连接，从而实现真正的多媒体业务。可以支持不同质量 要求的业务( 例如话音和分组数据) 并保证高质量和完美的覆盖。 6 ) 每个连接可提供多种业务一 w c d m a 符合真正的u m t s i m r - 2 0 0 0 要求。分组和电路交换业务可在不同 的带宽内自由地混合、并可同时向同一用户提供。每个w c d m a 终端能够同时 接入多达6 个不同业务，这些业务可以是话音或者传真、电子邮件和视频等数据 北京邮j u 人学烦i ：学位话立 u m t s 系统中的移动l p 技术研究 q k 务的组合。 1 2u m t s 系统结构 1 1 u m t s 网络分为接入网和核心网两部分。接入网在u m t s 中称为u t i l a n ( u m t s 地面无线接入网) ，3 g 移动终端和u t r a n 之间的接口称为u u 接i i l 。 u t r a n 和核心网之间接口称为i u 接口。u e 通过u t r a n 接入到u m t s 核心网， 然后和其它网络实体，如p s t n i s d n ，p d n ，g s m 或者u m t s 终端进 亍通信。 圈1 1u m t s 系统结构图 u t r a n 是由一些无线网络系统( r n s ) 组成，每个r n s 又由一些3 g 基 站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 组成，原则上和2 g 的接入网部分相似。 但是在协议实现上，i r r r a n 和2 g 的b s s 是全然不同的。 为了第二代向第三代的平滑过渡和演进，目前r 9 9 核心网包括三个域， c s ( 电路交换) 域、p s ( 分组交换) 域和b ( 2 ( 广播) 域，分别处理电路交换业 务、分组交换业务和广播组播业务。从u t 黜州到核心网的信令和数据，根羲! ! ：其 所属业务的不同，相应的通过i u - c s ，i u p s ，i u b c 接口发送到核心网的电路域、 分组域和广播域进行处理。 r 9 9 核心网的c s 域指g s m 的核心网，p s 域指g p r s 的支持节点。c s 域处理传统的电路交换业务，每次通信需占用系统的一些资源建立专用的一条链 路，如语音业务：p s 域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组都 自己找路由。 r 9 9u m t s 核心网主要有以下一些设备： 移动业务交换中心( m s c ) ：对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交 换的功能实体。 服务g p r s 支持节点( s g s n ) ：执行移动性管理、安全管理和接入控制 和路由选择等功能 网关g p r s 支持节点( g g s n ) ：负责提供g p r sp l m n 与外部分组数 据网的接口，并提供必要的网间安全机制( 如防火墙) 。 拜i ：方位黄寄存器( v l r ) ：m s c 为所管辖区域中m s 呼叫接续所需检索信 息的数据库。v l r 存储与呼叫处理有关的理! 数据，例如用户的引吼 北京邮【u 大学顾j ：学位论文 u m t s 系统牟的移动i p 技术研究 所处区域的识别，向用户提供的业务等参数。 归属位置寄存器( h l r ) ：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个侈 动用，。都应在其归属位置寄存器中注册登记。 鉴权中心( a u c ) ：为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能史 体。 乃外r 9 9 核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备， 1 3u m t s 系统协议结构 f n o “慨髂3 s 瓣“m f n a s ) i 盟遒晒 l g 盟n 卫。正 尹了丫a 。s 憾、r - c 尹彳 蠢? 。| j | ；_ 。一j e n da se n t i t y _ 。jj| 。 一 e n da se n t i t y r e l a y 争等等略唔唔喀举唔等笋等 上自满蜜上 i u s t r a t u m | 。l 2 l i ：k鬻鹾蒽 u e u t r a nc o r en e t w o r k r a d i o ( u u ) 图l - 2u m t s 系统分层结构 u u m t s 系统按照功能可以在逻辑上划分为两个平面：控制平面和用户平面。 控制平面负责系统信令的交互，用户平面则负责用户业务数据的传输。 每个逻辑平面又可以按照是否属于空中接口，分成接入层和非接入层两个层 面。非接入层是u e 和核心网的对等协议层，在控制平面包括c m ( 连接管理) 和m m ( 移动管理) ，在用户平面包括i p p p p 及上层应用层协议；接入层是u e 和u t r a n 之间的空中接口部分，包括p h y ( 物理层) ，m a c ( 媒体接入控制层) ， r l c ( 无线链路层) ，第三层在控制平面为r r c ，在用户平面是p d c p 和b m c 。 一个完整的u e 终端的协议栈结构如下： 北京i | i | i i u 人学坝i j 学位论史 u m t s 系统串的移动i p 技术研究 - t 昨z - a & 控制平面用户1 艇 分组域电路域 图1 - 3u e 协议栈结构图 这些协议各层自下而上功能分别如下： 物理层： 物理层负责在空中接口上数据块的传送，包扩前向差错纠正，不同传输 信道在同一物理资源上复用、速率匹配、调制、扩频和射频发射处理。 同时，物理层在r r c 的控制下进行物理信道功率的测量，测量结果上 报r r c 层作为r r c 决定是否进行小区切换和重选的依据。 m a c 层： 主要是完成传输信道和逻辑信道之间的映射，屏蔽了无线信道的物理处 理方式； 一 进行高层协议数据的传送和数据的纠错，为高层提供无差错的帧传输服 务； 进行传输信道的业务量测量，将测量结果上报r r c 层，作为r r c 对配 置的r b 进行调整的依据。 m a c 层还可根据当前源速率和逻辑信道的优先级，从传输信道传输格式 集为每个传输信道选择最佳传输格式，在一定程度上实现业务的q o s 。 r l c 层 北京邮l u 大学倾l ：学位论卫 u m t s 系统中的移动i p 技术掰f 究 r l c 和m a c 同处于无线接口的第二层，它主要为用户数据和信令数 ：1 1 ：摊“1 分段和重传业务；它提供三种数据传输模式：透明模式( t m ) ，非确认 ! ：f 式( u m ) 和确认模式( a m ) 。其中确认模式传输拒绝a r q 滑动窗口协议和f i ；j f i j 纠错披术。 r r c 层： 一 r r c 位于控制平面，是整个无线接口的控制核心。它的功能主要如下 接收接入层和非接入层广播信息，并进行解释配置： r r c 连接的建立、维护和释放： 无线承载的建立、重配置和释放； r r c 连接的移动性管理； 寻呼和通告功能： 高层的p d u 的传输； q o s 的控制 u e 侧的测量控制和结果报告； u e 本地功率控制： 加密控制及信令的完整性保护： m m 层： m m 的功能主要是进行l i e 位置和u e 访问网络的安全管理，m m 层分为两 部分，g m m 和m m ，前者和核心网的p s 域进行交互，负责分组数据业务的移 动管理，后者和核心网的c s 域进行交互，负责电路交换业务的移动管理。 u e 的位置管理指u e 通过一些操作将其位置信息登记到核心网的专用设祷 中，已使自己在移动出自己的家乡网络后仍然能够享受到网络中的服务。 m m 的安全管理则是用户对移动业务的基本要求，通过鉴权等机制，保证用 户可以安全的使用网络，同时保证只有合法用户才可以使用网络资源。 c m 层： c m 层的功能是对网络所能提供的服务进行支持、控制，并向m m i 模块提 供接口。c m 也分成两部分，工作在c s 域的基本呼叫c c ，和工作在p s 域的会 话管理s m ，短消息业务g s m s 。 u m t s 的c m 通过和核心网络进行q o s 协商，以支持高速数据承载业务， 以及突发的大数据业务、多媒体n - i s d n 业务和i p 多媒体业务。 p d c p 和b m c ： 属于用户平面，主要为在发送实体和接收实体中分别对i p 数据流进行包头 压缩和解压。b m c 子层提供对于小区广播消息的接收。 应用层： 应用层可以为用户自定义的多种话音或者数据业务，如视频业务的m p e g 4 ，音频业务的m p 3 ，i p 电话用的h 3 2 3 和s i p 等等。 1 4u m t s 的服务能力 2 l i a l u m t s 核心网技术标准是在现有g s m g p r s 基础上发展起来的，对g s m 北京1 1 5 i u 人学顺1 学位| 史 u m t s 系统中的移动i p 技术l j f 究 具柯良好的继承性。u m t s 不但能够将g s m 的功能发挥到极限，还可以通过 l 狮的无线网络提供宽频多媒体的服务。u m t s 的传输速度可以达到2 m b p s ，可以 应用在无线多媒体、电子邮件、网络信息娱乐以及电视会议上。除支持上述一些 固定和移动业务外，u m t s 还提供全新的交互式多媒体业务。u m t s 对这些不l 刊 的业务需求，提供了可靠的灵活的q o s 保障。 u m t s 的服务能力不仅仅体现在接入能力和接入方式上，还体现在它对j ：会 晡的要求上。u m t s 在连接控制层的分组域引入了一个新的的实体：会话管理 ( s m ) 主要用来控制分组域的会话接续。u m t s 会话，不仅仅指一次话音通信 过程，还包括一次数据流传输过程。u m t s 的会话管理要求在u e 的移动期问能 够提供不问断的会话过程。 北京i | l | i i u 大学f * ! i ：学位i = 龟上 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 第二章u m t s 系统的分组业务路由技术 2 1u m t s 中的分组传输概述 u m t s 系统的业务可分为两大类：基于电路交换的传统电信业务和基于分组 交换的新数据业务，分别由u m t s 系统的电路域和分组域承载。基于电路交换 的传统电信业务和2 g 的处理流程相似，基于分组交换的数据业务则丰婴 1 分- 2 1 1 域的g p r s 实体进行处理i 4 1 。 u m t s 系统的核心网分成电路域和分组域，这样可以灵活处理电路交换、i k 务 和分组业务，有利与2 g 系统进行兼容，并使信令流和处理过程简单化，便于将 来的系统升级和扩充。 u m t s 的分组传输是由核心网的分组域( g p r s ) 完成的。u m t s 的分组域 结构如下图所示： 。s i g n a l l i n gi n t e r f a c e - - - - - - - s i g n a l l i n ga n dd a t a t r a n s f e r i n t e r f a c e 图2 - 1 分组域逻辑结构总图 参考点r ：终端设备( t e ) 和移动终端( m t ) 的接口，通过串1 3 相连，主 要是使用a t 指令集 参考点g n ：g s n 之间的接口，采用i p 协议，主要用作建立g t p 隧道，进 行p d p p d u 的传输 参考点g i ：g g s n 和外部数据网( 如i n t e m e t ) 的接口，采用标准的i p 协议， 使用基于i p 的应用协议进行和外部通信节点的联系。 北京邮l b 人学坝l ：学位沦上 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 参考点g p ：s g s n 和其他p l m n 网络的接口，采用i p 侨议，用于不同p l m n 之间漫游时的移动终端和通信节点的中转通道。 参考点g r ，g c ：g s n 和h l r 之间的接口采用7 号信令，用于g s n 舱索 嗣j 巫新当前移动终端的路由信息。 和m s c v l r 、b s s 的接口，是为了兼容g s m 系统设立，在此不做时沦。 对于一个移动终端，当它要使用g p r s 服务时，必须有两个前提p l ： 1 ) 它已经在当前位置成功完成了和核心阿分组域的g p r s 附着 2 ) 它激活了p d p 上下文，并且从核心网g g s n 获得了一个p d p 地址。 第一个动作的目的是使得网络可以知道移动终端的存在，从而可以在外界发 送一个p d pp d u 到该终端时，g g s n 可以感知它的存在，并根掘其附着信息发 起一个p d p 上下文激活请求。这种情况下，移动终端可以接受来自s g s n 的斗 呼和通告。 第二个动作的目的是在g g s n 和移动终端之间建立一条透明的分组数据传 输通路，从而在移动终端和外界数据网的通信终端之间建立完整的分组数据传输 路径，使移动终端可以接收、发送数据。 满足这两点要求后，它就可以和对端通信节点进行端到端通信了。这种通信 根据发起方的不同可以分成两种方式：移动端发起的呼叫和终j h 于移动端删呼 叫。 2 2 分组域的网络节点 u m t s 的分组域是由支持g p r s 分组业务的移动台、基站系统和核心网分组 域组成。 2 2 1 移动台 移动台的最普通表示方式是一台移动终端( m 了) 和终端设备( t e ) 通过串 口连接组成，也可能m t 和t e 集成在同一台移动台上，这时它们之间的接口是 内部数据接口。 3 g p p 规定了移动台的三种工作模式：1 ) p s c s 方式，移动台同时附着到分 组域和电路域，并且可以同时进行分组业务和数据业务，和g s mg p r s 种的a 类终端相似，也称为i u 模式；2 ) p s 方式，移动台只附着到分组域，并且只能 进行分组业务，和g s mg p r s 的c 类终端相似；3 ) c s 方式，移动台只附着到 c s 域，并且只能进行c s 域的操作。 接入g p r s 业务的移动台可以不包含用户识别模块( s i m ) ，即移动台可以 享受网络提供的免费公共服务，而不需要经过认证。 移动台维护和s g s n 进行交互时的移动管理和p d p 上下文，以支持g p r s 移动管理。 2 2 2 服务g p r s 节点：s g s n s g s n 是为移动终端提供服务的核心网节点，负责在移动终端请求进仃 北京邮i u 人学f # ! i 学他沦上 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 g p r s 附着时，为移动终端建立移动管理上下文( 包括移动终端的移动性平i i 安全 性等) 。在移动终端请求p d p 上下文激活时，s g s n 和g g s n 一起负责建立一个 p d p 上下文为移动终端的分组传输进行路由。 2 2 3 网关g p r s 节点：g g s n g g s n 是移动终端接入到外部数据网的网关节点，外部数据网的数据到达 u m t s 网络，首先经过g g s n 。它具有传统网关的功能，如公布用户地址、映射 地址、路由和为分组建立隧道。它包含了完成g p r s 附着后的用户的路由信息， 通过陔路由信息，发送给移动终端的数据可以经过g t p 隧道传输到它的i ；f 若 s g s n 。g g s n 还可以包含d n s 功能，将路由区域识别符映射到服务s g s n 。 2 2 4h l r 保存着分组域的用户数据和路由信息，s g s n 可以通过g r 接口，g g s n 可 以通过g c 接口对它进行访问。 2 3 分组域p l m n 骨干网 分组域骨干网有两种：p l m n 内部骨干网和p l m n 之间的骨干网。p l m n 内部骨干网中，g s n 之间通过i p 协议在一个p l m n 中互连。p l m n 之间的骨干 网中，g s n 通过i p 协议，经过p l m n 骨干网互相连接。 一个p l m n 内部骨干网仅用于分组域内数据和信令的私有i p 传输，两个 p l m n 骨干网之间g 口接1 ：3 跨越一个p l m n 间骨干网连接。 一个p l m n 间骨干网可能是一个外部数据网或者一条租用线路。 北京邮l u 人学坝， 半位论文 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 图2 - 2p l m n 骨干网示意图 2 4g p r s 分组传输中的几个概念 2 4 1m m 上下文( m mc o n t e x t ) m m 上下文是s g s n 保存的为了跟踪移动终端位置，为移动终端接入提供鉴 权和授权功能的环境信息，包括以下方面内容： i m s i ，p t m s i 和移动台i s d n 号( m s i s d n ) m m 状态 路由区域识别符和小区识别符 新s g s n 的i p 地址 认证和加密参数 m s 无线接入能力和g p r s 网络接入能力 2 4 2p d p 上下文( p d pc o n t e x t ) p d p 上下文是为了为g g s n 和g g s n 之间的p d u 数据传输寻找路由而没立 的分组数据传输环境，它包含以下表项： i m s i p d p 类型和p d p 地址 动态地址指示，表示p d p 地址的分配是否是动态分配 q o s 协约 北京邮电大学硕士学位论文 u m t s 系统中的移动i p 技术研究 当前为移动终端服务的s g s ni p 地址 apn 收费i d 2 4 3p d p 地址( p d pa d d r e s s ) p d p 地址在u m t s 系统中是一个i p 地址，系统支持i pv 4 ，可选支持l pv 6 。 一个p d p 上下文可以具有0 、l 或者多个p d p 地址，每个p d p 地址可以具有一 个或者多个业务流模板( t f t ) ，支持多种q o s 。 移动台分配的i p 地址有4 种： 静态p d p 地址：h p l m n 运营商永久给移动台分配的p d p 地址。 动态h p l m np d p 地址：激活p d p 上下文时，h p l m n 给移动台分配的p d p 地址。 动态v p l m np d p 地址：激活p d p 上下文时，v p l m n 给移动台分配的p d ， 地址。 外部数据网地址：由外部数据网分配给u e 的永久的或者动态i p 地址。 u e 可以在p d p 上下文激活请求时，利用请求消息的参数p d pa d d r e s s 来实 现动态或者静态地址请求。如果u e 需要请求动态分配地址，则p d pa d d r e s s 参 数为空。 2 4 4a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) 在骨干网中，a p n 是对在用的g g s n 的引用；而对于g g s n ，a p n 标记了 一个外部网络或服务。a p n 由两部分组成： a p n 网络标识，定义了g g s n 可以连接的外部网络，采用用圆点符号 分开的标签组成，符合标准的d n s 命名约定。这部分是必需的。为了 保证a p n 的唯一性，采用和外部i n t e r a c t 域名同样的标识来命名a p n ， 该域名只能由p l m n 安排给一个机构，在互联网域名内官方保留该名 称。该标识般表达为：“s e r v i c e c o m p a n y c o r n ”。 a p n 运营商标识，定义了g g s n 所在的p l m n 分组域骨干网。这部分 是可选的。它也是符合d n s 命名约定的字符串，由3 个标签组成，结 尾必须是“g p r s ”。例如，它可以是这样的形式： “m n c m c c i g s n 的代理广播消息的实现 u m t s 分组网络是可以承载点到多点的分组服务的，但是，对于无线接口上 的多播的实现，花费的代价较大。事实上，当移动终端一开机，它就可以连到核 心网上，就像当前的g p r s 附着过程。这时候，它已经可以和核心网络在i p 层 次上进行消息交互了。 所以对于代理广播消息，这里只需要更改成目的为i g s n 的单播消息即可， 它是对移动终端代理请求消息的响应。同样的，代理请求消息也不需要进行广播， 只需要直接发到i g s n 即可。这样傲有两点好处：不必要进行无线链路的广播， 并且缩短了移动终端和外地代理建立联系的时间。 移动终端和外地代理在网络层以下交换数据的实现 移动终端和外地代理之间的数据交换，可以采用类似于当前u m t s 系统的 做法，通过g p r s 附着，建立移动节点和i g s n 之间的移动上下文，然后通过i u 接口，再经过r i g s 到i g s n 的g t p 隧道到达i g s n 。但是该系统的i u p s 接口可 能会直接采用a a l 5 a t m 协议来传输。 家乡代理截取发往移动终端的数据包的实现 家乡代理本身就是路由器，所以它可以截获任何从外地链路发往移动终端家 乡地址的数据包：对于本地子网内的通信节点，按照i p 协议的路由规则，当它 需要发送数据到本地子网的另一节点，不需要发到路由器，直接获得该节点的物 理链路地址，然后通过链路协议转发即可。但是在无线网中，链路层地址是没有 的，而且也不会支持a r p 协议来获取。事实上，u m t s 系统不像以太网环境， 它对于分组数据的传输，是必须先传输到核心网络的。所以，本地通信节点发送 往移动节点的数据也会被家乡代理所截获，经过隧道封装后传输到转交地址。当 北京i | j | j i u 人学颂卜学位伶t u m t s 系统中的移动i p 技术研究 移动节点返回到家乡后，同样只需要发送注销命令到家乡代理即可取消这种隧道 传输。 整个系统的安全和计费功能模块的考虑。u m t s 系统本身提供了一套完整n 0 鉴权授权计费体制，在u m t s 系统内部的数据和信令传输是安全的。但足引 入了移动i p 之后的u m t s 系统，它需要和i n t e m e t 及其他分组数据网络进行 交互以前这些功能在各个网络中是分散在g g s n 和s g s n 中进行的，当 g g s n 和s g s n 合并成一个功能单元i g s n 后，它将主要负责移动代理和分 组路由功能，这样可以把网络之间的鉴权认证和计费功能抽取出来，形成 个单独的a a a 服务器，两个网络在通信之前，先进行a a a 之间的身份验证 和协商，然后进行通信，这样构成的网络在结构上和i n t e m e t 上的网络互联 结构更为接近。改进后的u m t s 结构图如下： 图3 - 9 考虑了网络间安全性的移动i p 模型 这种模型系统的协议栈如下所示： m i pm i pa 从a 从 m i p u d p u d p u d pu d pu d p i p j p d c pp d c p i pi pi pi p r l cr l c a a l 5 r l c r l c l 2 l 2 y a cm a cm a c m a c p h y p h y a t mp h yl 1l l p h y 图3 1 0 支持移动i p 的系统协议栈 北京j j | f i u 大学坝i ：学位论殳 u m t s 系统率韵移萄i p 扳术嘶究 模型的评价： 优点：做到了用移动i p 技术来管理移动分组路由，对于从移动终端发往通 信节点的路由比原来u m t s 系统的方式更加优化：摄f a 和h a 集成在一起，减 少了广播消息的数量，节省了无线资源和u e 的能源：采用外地代理转交地址， 减少了i p 地址的损耗，同时又减小了无线链路数据传输的延迟；和移动i pm 议 完全的兼容，简化了网络结构，改善了协议栈：外地代理广播消息不存在鉴权的 安全性问题，因为在u m t s 系统内部，节点提供的服务是可信任的。 缺点：对u n i t s 分组域做出了很大改动，短期内不可能达到，需要一个演 化改进的过程：移动i p 目前发展还很不完善，只提供了一个框架，性能方面的 因素需要在实践中不断摸索；i p v 4 地址过少，采用静态分配家乡地址的方法， 当接入用户量不断增大时，会面临没有i p 地址分供分配的局面。 3 3 2 当前关于移动i p v 4 的改进的建议 对于移动i p 的总体要求，可以归纳为两点：协议透明性和应用透明性。所 谓协议透明性就是引入移动i p 对于上下各层的影响可以忽略不计；应用透明性 指引入移动停丕会引起操作上的性能有明显下降。这两点要求主要反映在移动 i p 的以下问题上： 1 ) 三角路由问题 一 移动节点移动到了外地链路，获褥了一个转交地址，并将该转交地址向家乡 代理注册。注册成功后，对端通信节点可以将数据包发送到家乡代理，由家乡代 理封装后通过隧道再转发到移动节点；移动节点发往对端的数据包则从转交地址 直接发送到通信节点，这样形成了一个三角路由。无论移动节点移动到什么地方， 通信节点到移动节点的路由不是任意可选的，必须首先经过家乡代理，由家乡代 理再路由到移动节点。这样，当移动节点距离家乡代理比较远，而距离通信节点 很近时，将会造成路由的迂回，增大了通信时延，不利于应用透明性。 改进策略： 所有参与通信的主机都有一个绑定缓存( b i n d i n g c a c h e ) 。当h a 截获r 一个 发往m h 的报文时，它会发送绑定更新b u ( b i n d i n gu p d a t e ) 消息，通知报文鸽发 送者m h 当前的转交地址( c o a ) 。发送者会更新它的绑定缓存，并用隧道把剩 下的报文直接发送到它的转交地址。fa 还可以利用绑定更新来减少切换中的报 文丢失。作为注册过程的扩展，m h 可以要求新的f a 给先前的f a 发送前一外 地代理通告消息。然后先前的fa 更新它的绑定缓存，再次利用隧道把所绳到的 报文发往移动主机的新转交地址。但是这种方式需要通信节点的配合，每个通信 节点都需要增加一个特殊的处理功能，破坏了移动i p 的透明性；而且，这种优 化机制同样带来了通信节点和移动节点之间的认证和身份鉴别问题。 北京f la g i u 人学f l ! ；! 1 1 举心冶上 u m t s 系绕中的移动【p 技术究 f ；曲仃点 移动托龋 通涪对端 图3 - l i 三角路由的优化 2 ) 切换时的延迟和数据丢失 移动i p 的理想境界是无缝切换，即以最小的包丢失率，最小的延迟实现彳； 同网段时间的切换。c d m a 的软切换技术可以同时接收来自两个小区的不同代 理的转发消息，所以如果能实现注册过程中家乡代理的包转发丢失率为0 ，就町 以使总的网络间移动达到无损失切换。但是实际上一个网段的覆盖区域很小移 动终端在高速移动时可能需要不断的切换，产生大量的注册操作，增加了网络开 销，从而增大了网络时延，并引起分组丢失。 改进策略： 对这种频繁切换的情况，c h a r l e sp e r k i n s 提出了分层移动i p 的概念，在一个 大区外地代理，下设多个二级外地代理，移动终端发生移动时，只需要在本地进 行切换注册。而不需要到远地的家乡代理注册，这样可以大大减少注册的时延， 从而优化注册的性能。 同时对于可能发生的切换中数据丢失，有人提出种缓存机制【1 4 】：在移动 节点向家乡代理发送注册请求时，同时向旧的外地代理发送缓存请求，注册成功 后，再向外地代理请求缓存数据，这样也可以实现无数据损失的切换。 3 ) 安全性考虑问题 一 在移动i p 协议中，有几种潜在的安全威胁： 移动终端接收到代理广播，确定自己是否发生了移动。如果发生了移动，则 从该代理广播消息得到自己的矫地代理转交地址。此时，如伺确认2 台移动 代理是真正的代理，可能会出现一台假代理来误导移动终端。 移动终端向家乡代理进行注册时，家乡代理如何确认移动终端的身份，以避 免一台冒名顶替的移动终端非法截取发往原来移动终端的报文。 移动终端接收到家乡代理的注船应答时，移动终端如 可确认家乡代理的身 份。 北京邮i u 人学坝i 学位i _ 仑t u m t s 系统中的移动l p 技术彤 究 移动i p v 4 中利用移动i p 鉴权扩展来解决注册过程中身份认汪，x , t - j ：f f “：的鉴权届于可选。 一个移动鉴权扩展格式如下： 这个鉴权扩展中，鉴权因子是发生交互的双方节点来获得身份认证的方法， 首先一方采用一种加密算法对报文摘要进行计算，然后把计算结果( 鉴权囚j 二) 插入到这个鉴权扩展中，接收方对收到的报文摘要进行重新计算，把计算出的结 果和和鉴权扩展中的鉴权因子对照，如果相等，就可以确认身份了：否则，认为 报文在传输过程中遭到破坏，不能接收。安全参数索引指示采用的加密计算方法， 默认是m d 5 。 4 ) 无线链路上的t c p 性能的解决 t c p 有一个著名的拥塞控制功能，基于假设当系统丢包率较大时，则认为是 产生了网络拥塞，所以t c p 层向对端发送通信抑制报文，让对端节点的发送速度 得以减缓，等到网络质量稍微恢复后，再逐渐恢复到原来的分发速率。这种假设 盔有线链路上是正确的，但是无线链路的噪声和干扰因素影响较大，大多数包三 失是由于数据包在这种高误码的链路上传输时发生的错误。当有错误发生时，t cp 就错误地假设网络发生了拥塞。从而大大降低新数据段和旧数据段的发送速 率，这使锝一些情况下无线链路上的tcp 性能非常差。 改进策略： 采用连接分段的方法 这种方法将移动节点和通信对端之间的t c p 连接看作是两条串连在一起的 连接，其中通信对端和外地代理构成固定的连接，而移动节点和外地代理的连接 ( 通常是无线链路) 构成另一条连接。通过这种方法，移动节点的t c p 可以独立工 作而不影响固定连接上的t c p 性能。而无线链路上的t c p 也可以变得更为主动， 从而改善整条链路的t c p 性能。 5 ) q o s 在移动i p 中的解决 近年来在i p 上承载各种实时业务的需求不断地增加，但是i p 协议只是一种 尽力传输的协议，对于业务质量没有太多的考虑。随着近年来i p 承载语音视频 等实时业务的发展，对于i p 协议之上的q o s 研究也逐渐提上议程。对于实时业 务，i e t f 提出了资源预留( r s v p ) 和区分服务( d i f f s ) 的解决方法。 r s v p 是首先从源端向终端放松一条资源请求，在经过的每一个节点处请求 预留需要的资源，等到所有节点都返回肯定的响应后才进行实时数据传输。d i f f s 在i p 包头定义了d s 域，利用该域值d s c p ( d i f f s e r v ec o d e p o i n t ) 定义了一 组每跳行为p h b ( p e rh o p eb e h a v i o r ) 以提供不同的转发机制。 在移动i p 协议中，由于有了i